局部麻醉药电化学传感器研究评述

2020-01-18毛云飞金党琴

黄冈职业技术学院学报 2020年1期

黄菲，周慧，毛云飞，沈明，金党琴，钱琛

(1.扬州工业职业技术学院，江苏扬州 225127；2.扬州大学，江苏扬州 225002 )

局部麻醉药(局麻药)是指那些能暂时、完全、可逆地阻断神经传导，使人体局部短时间内失去知觉的药物，广泛用于牙齿根管治疗、表皮脂肪瘤切除等普通门诊手术[1]。一般来说，局麻药主要以皮下注射的给药形式进入人体，并且很快作用到敏感的神经系统，其剂量或纯度必须严格控制。在诸多药物分析手段中，电化学检测简便、快速，备受研究者青睐。有鉴于此，本文对最近二十年来局麻药电化学传感器的研究进展进行简要评述，以期能为化学、药学、材料学等学科的发展提供有益的参考。

由于分子结构不同，临床上一般将局麻药分为两类：酯类和酰胺类[1]。商业化的局麻药目前约有几十种，考虑到同类型药物结构与化学性质相似，面面俱到似无必要，因此，文中各自选择三种代表性强、应用范围广的药物进行讨论。

1 研究现状概述

通常来讲，电化学传感器的构建基础与核心是工作电极，随着材料制备技术的发展，其大体经历了“汞电极→离子选择电极→裸固体电极→化学修饰电极”等几个阶段[2]。汞电极灵敏度高、重复性好，但由于电极毒性，目前除极少数特例外，已基本退出历史舞台。离子选择电极选择性好，抗干扰能力强，但灵敏度低，绝大部分检测限仅能勉强达到 μM级。裸固体电极制备简单，基体材料多元化，但钝化效应显著，表面易污染，信号不稳定，再现性差。这三类电极实用价值较低，没有发展前景，故不在本文讨论之列[3-5]。相对而言，化学修饰电极因其表面具有特殊结构或功能基团，往往呈现出优异的理化性能，当前在药物分析领域大放异彩，符合未来潮流，这正是本文所关注的。

1.1 酯类局麻药

酯类局麻药结构中含有-COO-基团，以普鲁卡因(Procaine，PRC)、丁卡因(Tetracaine，TEC)、苯佐卡因(Benzocaine，BZC)为代表[1]。

Wang等将石墨粉、浮石粉和液体石蜡混合在一起，调成糊状，制备浮石修饰碳糊电极。通过差示脉冲伏安法(DPV)测定 PRC含量，检测限为5.0×10-8M。同时研究了PRC的电极反应机理，指出电极过程受吸附控制且不可逆，存在“2H++2e”的转移，发生反应的基团为苯环上的-NH2[6]。Li等采用Nafion修饰玻碳电极，通过差示脉冲吸附溶出伏安法(DPASV)测定了痕量的PRC，检测限为 7.0×10-9M，并将检测方法直接用于药样及兔血清样检测，结果令人满意[7]。Guan等以PRC为模板、丙烯酸为功能单体、乙烯基三乙氧基硅烷为交联试剂，在玻碳电极上构建了分子印迹膜修饰电极。通过DPV测定PRC，检测限为 1.02×10-8M，用于人血清样检测，回收率为97.5～106.4%[8]。Silva等借助电化学沉积的方法制备出铁氰化钌修饰玻碳电极，利用其电催化作用，通过方波伏安法(SWV)测定 PRC，检测限为 11 nM[9]。Li等制备了一种聚谷氨酸/功能化多壁碳纳米管修饰电极，通过循环伏安法(CV)，电化学阻抗(EIS)和扫描电镜(SEM)对其进行表征。进行PRC测定，浓度线性范围为9.0×10-7～8.3×10-5M，电极具有很好的灵敏度、再现性和稳定性[10]。Liu等在石墨糊电极上，利用氧化峰155 mV的电位差，实现了PRC及其代谢产物的同时灵敏测定，检测限为5×10-8M，并研究了相关的药物代谢动力学[11]。Wei等借助CV比较研究了PRC在沉积掺B金刚石电极、阳极氧化掺B金刚石电极和玻碳电极上的电化学行为。指出相对于后两者，PRC在沉积掺B金刚石电极上出现了良好的氧化峰，具有较高的信噪比，很低的吸附倾向，不错的再现性和稳定性，电极性能更加优异[12]。Wu等制备了一种纳米ZnO颗粒/还原态氧化石墨烯修饰电极，通过红外反射(FT-IR)和 X射线粉末衍射(XRD)对修饰膜进行表征。以该电极为基础，构建了TEC的光电化学传感器，利用电化学发光的方法测定TEC，检测限为 3.3×10-5μg/mL[13]。Reddy等采用 Nafion修饰玻碳电极，通过DPASV测定了BZC，检测限为2.4×10-9M，并成功用于人体尿样检测。与玻碳电极相比，修饰电极显著提高了灵敏度和选择性[14]。Mohamed等通过混合的办法制备了纳米TiO2颗粒-氧化石墨烯纳米片晶复合物修饰碳糊电极。借助SWV，在安替比林存在下，实现了对BZC的灵敏测定，检测限为 2.48×10-7M，指出是纳米TiO2颗粒与氧化石墨烯纳米片晶之间的协同作用才显著提高了传感器的灵敏度[15]。

1.2 酰胺类局麻药

酰胺类局麻药结构中含有-CONH-基团，以利多卡因(Lidocaine，LDC)、布比卡因(Bupivacaine，BPC)、罗哌卡因(Ropivacaine，RPC)为代表[1]。

徐茂田等借助滴涂的方式制备了单壁碳纳米管修饰玻碳电极，通过CV对LDC进行测定，检测限为0.3 μM，用于药样检测，测定值与标示值相符[16]。周谷珍等借助CV电聚合的方式，制备了聚灿烂绿薄膜修饰玻碳电极，其对LDC具有良好的电催化作用，测定检测限为3.5×10-6M[17]。Ali等分别制备了一种修饰丝网印刷电极和化学修饰碳糊电极，并构建了两种针对LDC的电位传感器。进行电位滴定时，两种传感器均对LDC呈现良好的能斯特响应，检测限分别为1×10-7和6.2×10-7M。在pH=2.0～8.0及2.0～7.5范围内，响应快速，耗时仅为6和4 s。此外，两种传感器的使用寿命分别达到6和4个月，稳定性很高[18]。Rahbar等研究了LDC在碳糊电极上的电化学反应机理，指出电极过程中有“2H++2e”发生转移，为不可逆氧化，氧化产物为仲胺和醛。通过 SWV对 LDC进行测定，浓度线性范围达到8.0～1000.0 μM，检测限为0.29 μM[19]。此外，该研究小组也制备了一种纳米CuO颗粒修饰碳糊电极，采用相同的方法测定LDC，检测限为0.39 μM，浓度线性范围更是达到惊人的 1～2500 μM[20]。Oliveira等采用掺 B 金刚石电极，发现LDC在该电极上于1.68 V产生了一不可逆氧化峰。分别采用CV和SWV测定氧化峰电流，LDC的检测限为 10.0和 34.4 μg/L[21]。Kachoosangi等采用修饰有辣椒素的多壁碳纳米管修饰平面热解石墨电极和p-氯醌修饰碳糊电极对LDC进行了测定，并研究了相关电极反应机理[22]。Plotycya等发展了一种新的伏安分析方法，其基于反应过程中获得的氮氧化物及还原产物，对包括LDC在内的酰胺类局麻药进行了测定，检测限为0.38 μg/mL。所建立的分析方法显示出良好的选择性，成功用于不同药样的分析[23]。Gungor等合成了一种聚亚酰胺薄膜，将其滴涂在Pt电极上，制备出膜电极。BPC在该电极上于+0.92 V左右产生电化学响应，测定时检测限为16.82 μM，选择性良好[24]。Wu等通过电聚合的方式制备聚吡咯/单壁碳纳米管及聚吡咯/氧化石墨复合材料，将其涂覆到Au电极上制备出修饰电极，借助FT-IR、CV、SEM、TEM等手段对其进行表征。创造性地通过EIS分别对左旋BPC和RPC进行了在线快速测定，检测限分别为1 和0.08 ppm[25-26]。张晓蕾等采用热聚合法合成石墨烯量子点，通过π-π作用将其吸附在聚邻氨基苯酚膜表面，基于石墨烯量子点表面电化学印迹，制备出石墨烯量子点-分子印迹传感器。通过原子力显微镜(AFM)对量子点进行表征，采用DPV研究印迹响应机理。测定RPC时，检测限为1.1×10-6M，传感器制备简便、耗时短、线性范围宽，具有较好的选择性、再现性和稳定性[27]。

2 存在的不足

最近二十年来，局麻药电化学传感器研究取得了一定进展，但与神经递质、抗精神病药物等其它药品相比，无论是广度(数量)，还是深度(质量)，相关研究成果都相形见绌。究其原因，在于：

一方面，虽然局麻药种类不少，但由于其属于国家严管药物，且很多从国外进口，不可能以商业化药剂或处方形式提供给非医疗机构和个人。这就导致普通研究者难以通过正常的购买渠道从市面上获得样品，不易开展相关研究，因而成果数量有限。

另一方面，作为辅助药品，局麻药的主要作用在于缓解门诊手术中产生的疼痛，绝大多数本身并无治疗相关疾病的功效，与日常用药联系不甚紧密。由此导致研究者对局麻药的重视程度不及其它药物，检测的目的主要在于控制剂量或纯度，使其对人体不产生明显的毒副作用。构建电化学传感器时，只要能获得满足基本要求的检测限即可，这一传统思路致使方法学创新不够，研究缺乏深度，所以成果质量不高。

具体来说，该研究领域存在如下一些不足：

2.1 电极修饰方式毫无创造性

其仍然以滴涂、混合、电聚合、掺杂等传统镀覆方式为主。上述方法操作简单，但却十分低效、粗放，所得涂层或镀层往往只能展现出块状材料的平均性能，无法显示特性。此外，根据相关研究，大幅提高传感器灵敏度和选择性的关键在于在电极表面构建类似“搭积木”式的多层有序薄膜，传统方式显然无能为力，这在一定程度上也可以解释为何该领域的发展停滞不前。

2.2 电极修饰材料没有新颖性

最显著的问题就是纳米材料参与过少，Nafion、碳糊、导电聚合物等传统材料仍占主导。这些修饰剂开发较早，历史悠久，性能早已研究透彻，基本没有改进空间，极大限制传感器性能的进一步提升，绝大部分文献公开的检测限都是10-7～10-8M 即是明证[28]。

2.3 研究内容缺乏开拓性

公开的文献形式上千篇一律，内容无非涉及三个方面(或更少)：一个是传感器的构建，侧重电极的制备与表征；另一个是检测方法的建立，聚焦试验条件优化和检测效能；再一个则是药物电化学机理研究，关注电极过程。实事求是地讲，它们属于例行项目，为“必答题”。整个领域的研究过于拘泥，缺乏跨学科特征，这仅从该领域缺乏高档次论文便可见一斑。

3 改进建议

尽管目前该领域的发展还不尽如人意，但由于局麻药自身的特殊属性及对品质管控的严格要求，相信未来会有更多新型、高效、低毒局麻药应用于临床。因此，长远来看，局麻药电化学传感器的研究今后仍将占有一席之地。其重点工作在于：

3.1 推动功能纳米材料的应用

纳米材料一般具有特殊的尺寸和空腔结构、大量的位错、庞大的比表面积，因而具有优异的吸附性能、导电性能和催化性能，可以加速电子的传递，增强药物的电化学活性[2]。尤其是碳纳米管、硅纳米管、介孔碳、微孔碳、纳米贵金属粒子、金属纳米线、纳米无机半导体、两性纳米有机物等材料需要重点关注。从未来的发展趋势来看，纳米复合材料应是研究热点，其通常由两种以上纳米材料组成，集中整合了各组分的优点，发挥协同作用，实现最大功效。纳米复合材料种类很多，常见有“碳纳米管-贵金属纳米颗粒”、“核壳型多金属纳米结构”、“纳米导电聚合物-纳米无机半导体”等体系。随着大量功能纳米材料应用于局麻药电化学传感器的构建，领域内的研究状况今后必将是生机勃勃，成果迭出。

3.2 加强新型镀覆方式的研究

无论是纳米修饰材料的组装，还是传感器性能的提升，都要求工作电极精细化、高效化和个性化，因此，逐层有序(layer-by-layer)堆积将是今后电极修饰的主要方式。相对于低效的传统涂镀模式，较为精密和先进的物理气相沉积、离子注入、光刻蚀等手段需要高度重视。尤其是这些方法的联用，将极大推动材料制备技术的发展。

3.3 拓宽领域研究思路

以检测效能为例，长期以来，电化学传感器都是以灵敏度为中心，过分强调电极的导电性和检测限。如果换个思路，研究电极的选择性，就会发现存在很多值得探索的空间。比如，纳米材料修饰电极或多或少几乎都具有一定的催化作用，因而在进行分子结构相似的多组分(组分数量≥3)分析时，往往会出现电化学信号同时增强、相互重叠覆盖、难以区分的现象。尤其是面对结构呈镜面对称的手性药物时，单一结构的纳米材料(如单纯的球状纳米Au颗粒)几乎无法区分，分子识别能力不足。如何利用电化学传感器有效区分同一类型的局麻药就已经很有难度，而手性局麻药电化学传感器目前则更是一片空白，颇具挑战性。这就需要在合成纳米材料时，要有针对性地人工设计一些特殊的空腔结构，能够和不同药物分子进行匹配，从而实现分子特异性识别，这自然对材料合成技术提出了很高的要求。同时，如何将这些功能材料有效负载在电极表面，通过药物在修饰电极上电化学信号的差异来阐述这种选择性作用机制，这又极大考验电化学工作者的智慧。可以看到，仅就提高传感器选择性这个方面就可以开拓出很多新的高难度研究方向，极有科学价值。